Metodologia de avaliação do potencial de sistemas fotovoltaicos conectados à rede em telhados: aplicação ao campus da UFPE

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(2) UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO CENTRO DE TECNOLOGIA E GEOCIÊNCIAS-CTG DEPARTAMENTO DE ENERGIA NUCLEAR – DEN. PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM TECNOLOGIAS ENERGÉTICAS E NUCLEARES - PROTEN. METODOLOGIA DE AVALIAÇÃO DO POTENCIAL DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS CONECTADOS À REDE EM TELHADOS - APLICAÇÃO AO CAMPUS DA UFPE. ELIELZA MOURA DE SOUZA BARBOSA. RECIFE-PERNAMBUCO-BRASIL ABRIL-2009.

(3) ELIELZA MOURA DE SOUZA BARBOSA. METODOLOGIA DE AVALIAÇÃO DO POTENCIAL DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS CONECTADOS À REDE EM TELHADOS - APLICAÇÃO AO CAMPUS DA UFPE. Tese submetida ao Programa de Pós-graduação em Tecnologias Energéticas e Nucleares, do Departamento de Energia Nuclear, da Universidade Federal de Pernambuco, para obtenção do título de Doutor em Ciências. Área de Concentração: Fontes Renováveis de Energia. ORIENTADOR: PROF. DR. FERNANDO ROBERTO DE ANDRADE LIMA CO-ORIENTADOR: PROF. DR. OSVALDO SOLIANO PEREIRA. RECIFE - ABRIL – 2009.

(4) B238m Barbosa, Elielza Moura de Souza. Metodologia de avaliação do potencial de sistemas fotovoltaicos conectados à rede em telhados: aplicação ao campus da UFPE / Elielza Moura de Souza Barbosa. - Recife: O Autor, 2009. 108 folhas., il., gráfs., tabs. Tese (Doutorado) – Universidade Federal de Pernambuco. CTG. Programa de Pós-Graduação em Tecnologias Energéticas e Nucleares, 2009. Inclui referências e anexos. 1.Fontes Renováveis de Energia . 2.Sistemas Fotovoltaicos. 3. Redes de Energia - Telhados. I. Título. UFPE 621.042. CDD (22. ed.). BCTG/2009-238.

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(6) Jader e Elza, Igor e Luiza. Caminhos de continuação Expressões da minha natureza. Dedico.

(7) “O valor das coisas não está no tempo que elas duram, mas na intensidade com que acontecem. Por isso, existem momentos inesquecíveis, coisas inexplicáveis e pessoas incomparáveis. " Fernando Pessoa.. No decorrer dessa caminhada encontrei com muitas pessoas incomparáveis: Fernando Andrade Lima, amigo e professor orientador, ambiente de acolhida e apoio fundamental; Osvaldo Soliano companheiro das energias renováveis e professor coorientador; Ana Lucia, Brayner e Tib a, comitê de acompanhamento sempre com críticas e sugestões proveitosas; Naum, mestre na ampliação dos meus horizontes do nuclear ao solar, Olga, Jane, Marcelo, Rinaldo, Aguiar e Eric, colegas de trabalho e amigos do Grupo FAE, possibilidades de troca de idéias nem sempre concordantes, mas sempre enriquecedoras; Luiz e Diego representantes dos meus alunos/amigos, inigualáveis no atendimento às demandas na montagem dos experimentos; Meus irmãos de pai e mãe e de vida, minha família expandida, núcleo permanente de construção; Maria do Carmo e Rosinha, orientações especiais no trilhar dos caminhos de transformação dos meus rabiscos em arte final.. Meu Muito Obrigada!.

(8) SUMÁRIO LISTA DE FIGURAS LISTA DE TABELAS NOMENCLATURA RESUMO ABSTRACT Capítulo 1. INTRODUÇÃO.. 1. Capítulo 2. MARCOS DE REFERÊNCIA-TÉCNICOS E INTERDISCIPLINARES. 8. 2.1. Concepção da aplicação tecnológica de geração fotovoltaica interligada à rede....................................................................... 9. 2.2. Sistemas fotovoltaicos conectados à rede no Brasil.................. 14. 2.3. Aspectos relacionados à tecnologia das células solares............ 18. 2.4. Aspectos relacionados á emissão de gases de efeito estufa...... 19. 2.5. Aspectos relacionados ao mercado fotovoltaico....................... 21. 2.6. Aspectos relacionados à avaliação de desempenho de SFCR... 28. 2.7. Aspectos relacionados à avaliação de potenciais de SFCR....... 30. Capítulo 3. DESENVOLVIMENTO DA METODOLOGIA.. 32. 3.1. Ambiente Físico..................................................................... 33. 3.2. Ambiente Técnico.................................................................. 35. 3.2.1. Procedimentos de avaliação técnica de SFCR........... 35. 3.2.2. Estudo Experimental-Desempenho técnico do sistema-teste SFCR UFPE III..................................... 3.3. 3.4. 3.2.2-1 Descrição e operação do SFCRUFPE III................ 40. 3.2.2-2 Resultados experimentais do SFCR-UFPE III........ 44. Ambiente Geográfico............................................................. 52. 3.3.1. Procedimentos de referências para estimativas de área de telhados para SFCR...................................... 53. 3.3.2. Procedimento proposto para estimativa do NLC e área útil de cobertura.................................................. 56. Ambiente Econômico............................................................. 63.

(9) 3.5. Capítulo 4. Capítulo 5. Ambiente Analítico................................................................ 68. 3.5.1 O SIG em fontes renováveis....................................... 68. APLICAÇÃO DA METODOLOGIA PARA O CAMPUS DA UFPE.. 71. 4.1. Caracterização da UFPE......................................................... 71. 4.2. Estimativa da área útil de telhados do Campus UFPE para SFCR...................................................................................... 74. 4.2.1 Campus UFPE-Estimativas dos Fatores de: Disponibilidade (Fd ), Ocupação (Fo ), Posição (Fp ) e Sombras (Fs )........................................................... 75. 4.3. Avaliação da produção de energia elétrica............................. 87. 4.4. Considerações sobre o ambiente econômico.......................... 91. 4.5. Resultados dentro do Ambiente Analítico............................. 95. 4.6. Resultados: SIG-UFPE/SFCR................................................ 98. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS APÊNDICE -A1 - DADOS DE ENTRADA PARA O SIG/UFPE/SFCR Tabela Tab-SIG/UFPE/SFCR e ilustrações por setor de edificações analisadas.. 101 104 A1.

(10) LISTAS DE FIGURAS Figura 1. Esquema ilustrativo da metodologia desenvolvida............................ 4. Figura 2. Esquema ilustrativo da aplicação de sistemas fotovoltaicos conectados à rede............................................................................... 9. Figura 3. Ilustração de central fotovoltaica: Central de Serpa-Portugal............ 11. Figura 4. Ilustrações de sistemas fotovoltaicos conectados à rede.................... 13. Figura 5. Vistas de SFCR instalados e em operação pelo Grupo FAE/UFPE. 17. Figura 6. Evolução do preço de módulos fotovoltaicos em função das vendas acumuladas a partir do ano 1975............................................ 22. Figura 7. Evolução do mercado fotovoltaico por segmento de aplicação......... 23. Figura 8. Evolução da aplicação de FV conectado à rede: a) Capacidade mundial de 1995 a 2007. Valores existentes acumulados; b) Evolução por ano das vendas direcionadas a FV conectados à rede.. 22. Composição de custos de sistemas fotovoltaicos conectados à rede -Programa FV em Edificações da Florida.......................................... 25. Custos de eletricidade solar nos Estados Unidos-Índices norteadores......................................................................................... 28. Diagrama de bloco: Metodologia de avaliação do potencial de telhados solares................................................................................. 34. Figura 9 Figura 10 Figura 11 Figura 12. SFCR-UFPE III: a)Vista do sistema; b) configuração do arranjo FV; c) diagrama de fluxo................................................................... Figura 13. SFCR UFPE III: a)Energias: radiação incidente no plano FV, gerada, produzida e consumida; Eficiências do gerador, do inversor e do sistema, valores como médias diárias mensais e anuais; b) Frequências normalizadas dos valores das médias diárias das energias incidente, gerada e produzida........................... 45. SFCR UFPE III: Efeito da irradiação na temperatura de operação dos módulos fotovoltaicos................................................................. 46. Figura 15. SFCR UFPE III: Balanço energético para o mês de janeiro /2008.... 48. Figura 16. SFRC UFPE III: Freqüência normalizada dos valores médios diários a) Produtividades de referência, do arranjo e final do sistema; b) (PR) - Fator de Desempenho........................................... 50. Exemplos ilustrativos do Fator Visão do Céu e da relação área/volume para alguns sítios na Grécia e na Itália.......................... 55. a) Valor do Fator K para o cálculo da distância (d) necessária à situação de não-sombras entre fileiras de módulos FV; b) Perda na radiação coletada por não alinhamento ao Norte Geográfico............ 58. Figura 14. Figura 17 Figura 18. 42.

(11) Figura 19. Tarifa de Energia Elétrica no Brasil - Comparação Mundial............ 65. Figura 20. Campus UFPE: a) Vista geral; b) Mapa de ocupação....................... 72. Figura 21. Campus UFPE: a) Evolução do consumo de energia elétrica............ 74. Figura 22. Campus UFPE-Mapa de ocupação por divisão em setores............... 75. Figura 23. Campus UFPE: Radiação incidente em função do ângulo de inclinação do plano coletor................................................................ 75. Figura 24. Imagens de áreas de cobertura de telhados: tonalidades diversificadas e homogêneas.............................................................. Figura 25. Campus UFPE: Ilustrações de áreas de telhados com indicação dos valores dos Fatores de Ocupação, Posição e Sombra........................ 74. Campus UFPE: Ilustrações de sombras pela dinâ mica do crescimento urbano. Região da Biblioteca Central em diferentes épocas............. 82. Campus UFPE: Mapa de ocupação por classificação das alturas das edificações................................................................................... 83. Campus UFPE: Ocorrência de sombreamento por proximidade entre edificações (Fs<1).................................................................... 84. Figura 26 Figura 27 Figura 28 Figura 29. Figura 30. Campus UFPE/Recife: Radiação incidente em um plano inclinado de 230 faceando o Norte: Base de Dados: Atlas do Brasil, INMET e NASA. ........................................................................................... Balanço de energias e energia específica para o SFCRPadrão................................................................................................ Figura 31. Campus UFPE: Mapa demonstrativo das edificações com telhados não aplicáveis à instalação de SFCR no Campus da UFPE............... Figura 32. Campus UFPE: Mapa de classificação das edificações pelo Nível de Luz do Céu de seus telhados........................................................ 89. 90 99. 100.

(12) LISTA DE TABELAS Tabela 1. Sistemas fotovoltaicos conectados à rede no Brasil........................ 16. Tabela 2. Propriedades das células comerciais. ............................................. 19. Tabela 3. Preços de equipamento de SFCR no mercado a varejo: EU, EUA e Brasil............................................................................................. 26. Expressões para a determinação dos parâmetros de desempenho de SFCR. .......................................................................... ..................... 39. SFCR-UFPE III: Composição e características técnicas do sistema; Parâmetros e/ou grandezas monitorados e unidades de medição. ................................................................................................ 43. Tabela 6. SFCR UFPE III: Balanço anual: energias e índices operacionais... 52. Tabela 7. Valores para o Fator de Sombras: Hemisfério Sul (?=100 )............. 58. Tabela 8. Classificação do Fator Nível de Luz de Céu................................... 61. Tabela 9. Características físicas de módulos fotovoltaicos............................. 62. Tabela 10. Tarifa de Energia Elétrica - Comparação Mundial......................... 64. Tabela 11. Campus UFPE/Recife. Fator Nível de Luz do Céu de edificações-exemplo...................................................................... 85. Campus UFPE/Recife. Área total do telhado e Área Útil para SFCR de edificações-exemplo........................................................ 87. Tabela 13. Campus UFPE/Recife. Radiação no plano horizontal (?=-8,03).... 88. Tabela 14. Campus UFPE/Recife Energia produzida e área útil para SFCR em telhados de edificações-exemplo............................................ 91. Composição de custos de um SFCR de 10 m2 , 1,3 kWp (p-Si), instalado a 230 N na Cidade do Recife (8,030 S) e NLC=1............... 92. Resultados consolidados por Setor da Tab-SIG/UFPE/SFCR. Dados de entrada para o SIG-UFPE/SFGR..................................... 97. Tabela 4 Tabela 5. Tabela 12. Tabela 15 Tabela 16.

(13) NOMENCLATURA A Aa Ad At Au E Ea. Área [m2 ]. Área do arranjo fotovoltaico/gerador fotovoltaico [m2 ]. Área disponível [m2 ]. Área total da cobertura/telhado da edificação [m2 ]. Área útil, livre para o arranjo fotovoltaico [m2 ]. Energia [kWh]. Energia total solar produzida pelo sistema [kWh].. E a, h E a, d E a, m E a, a E col, d E col, d E col, d. Energia total solar produzida pelo sistema, média horária [kWh/h]. Energia total solar produzida pelo sistema, média horária diária [kWh/d]. Energia total solar produzida pelo sistema, média horária diária mensal [kWh/m]. Energia total solar produzida pelo sistema, média horária diária mensal anual [kWh/a]. Energia solar coletada pelo gerador fotovoltaico, média horária diária [kWh/d]. Energia solar coletada pelo gerador fotovoltaico, média horária diária mensal [kWh/d].. E fv, d. Energia solar coletada pelo gerador fotovoltaico, média horária diária mensal anual [kWh/d]. Energia solar gerada pelo gerador média horária diária [kWh/d].. E fv, m. Energia solar gerada pelo gerador média horária diária mensal [kWh/d].. E fv, a. Energia solar gerada pelo gerador média horária diária mensal anual [kWh/d].. E c ,d E c, m E c,a E csol, d E csol, m E csol, a E csed ,d E cred, m E cred , a E inj, d. Energia elétrica total consumida pela demanda, média horária diária [kWh/d].. E inj, m. Energia elétrica solar injetada na rede, média horária diária mensal [kWh/d].. E inj, a EE Fd Fo Fp Fs FV hh. Energia elétrica solar injetada na rede, média horária diária mensal anual [kWh/d].. Energia elétrica total consumida pela demanda, média horária mensal [kWh/d]. Energia elétrica total consumida pela demanda, média horária anual [kWh/d]. Energia elétrica solar consumida pela demanda, média horária diária [kWh/d]. Energia elétrica solar consumida pela demanda, média horária mensal [kWh/d]. Energia elétrica solar consumida pela demanda, média horária anual [kWh/d]. Energia elétrica consumida da rede pela demanda, média horária diária [kWh/d]. Energia elétrica consumida da rede pela demanda, média horária diária mensal [kWh/d]. Energia elétrica consumida da rede pela demanda, média horária diária mensal anual [kWh/d]. Energia elétrica solar injetada na rede, média horária diária [kWh/d].. Energia Específica [kWh/m2 ]. Fator de Disponibilidade. Fator de Ocupação. Fator de Posição. Fator de Sombra. Fotovoltaico Irradiação no plano horizontal.

(14) hfv Hstc Ho Hfv,d Ifv L Ls,a Lc,a P Po,fv Po,in v Pmax PMP PR PR d PR m PR a T Tamb Tfv. Irradiação no plano do gerador fotovoltaico. Radiação solar em condições stand de testes [1 kW/m2 ]. Radiação solar total diária em um plano horizontal [kWhd/m2 ]. Radiação solar total diária no plano do arranjo fotovoltaico [kWhd/m2 ]. Irradiação solar instantânea no plano do arranjo fotovoltaico [kW/m2 ]. Perda elétrica [kWh/kW.d]. Perda elétrica anual no sistema [kWh/kW.d].. Perda de energia anual na captação da radiação [kWh/kW.d]. Potência elétrica [kW]. Potência nominal do arranjo fotovoltaico [kWp]. Potência nominal do inversor [kVA]. Potência do arranjo fotovoltaico no ponto de máxima potência [kWp]. Ponto de Máxima Potência Rendimento global do sistema (Peformance Ratio ). Rendimento global do sistema, médio diário.. η fv ,d. Eficiência do gerador fotovoltaico, média diária [%].. η fv,m. Eficiência do gerador fotovoltaico, média horária diária mensal [%].. η fv ,a. Eficiência do gerador fotovoltaico, média diária mensal anual [%].. ηinv,d. Eficiência do inversor, média horária diária [%].. η inv,m. Eficiência do inversor, média horária diária mensal [%].. η inv,a. Eficiência do inversor, média horária diária mensal anual [%].. η s, d. Eficiência do sistema, média horária diária [%].. η s, m. Eficiência do sistema, média horária diária mensal [%].. η. Eficiência do sistema, média horária diária mensal anual [%].. s,a. Rendimento global do sistema, médio mensal. Rendimento global do sistema, médio anual. Temperatura [0 C]. Temperatura ambiente [0 C]. Temperatura de operação no gerador fotovoltaico [0 C]. Y r, d. Produtividade de referência , media horária diária [kWh/kWd ou h/d].. Y r, m. Produtividade de referência , media horária diária mensal [kWh/kWd ou h/d].. Y r ,a. Produtividade de referência , media horária diária mensal anual [kWh/kWd ou h/d].. Y a, d Y a, m. Produtividade do arranjo FV, media horária diária [kWh/kWd ou h/d].. Y a ,a Y f ,d. Produtividade do arranjo FV, media horária diária mensal anual [kWh/kWd ou h/d].. Y. f ,m. Produtividade final do sistema, media horária diária mensal [kWh/kWd ou h/d]. Y. f ,a. Produtividade final do sistema, media horária diária mensal anual [kWh/kWd ou h/d]. Produtividade do arranjo FV, media horária diária mensal [kWh/kWd ou h/d]. Produtividade final do sistema, media horária diária [kWh/kWd ou h/d]..

(15) ABREVIAÇÕES E SIGLAS Ambiente Analítico. AA Ambiente Econômico. AE Ambiente Físico. AF Ambiente Geográfico. AG Agencia Nacional de Energia Elétrica. ANEEL Ambiente Técnico. AT Refere-se a despesas de manutenção (BALANCE OF SYSTEM). BOS Corrente Contínua CA Corrente Alternada. CC Centro de Tecnologia e Geociências. CTG Desenvolvimento de Mecanismos Limpos. DML Edificações Fotovoltaicas Conectadas à Rede. EFCR Associação Fotovoltaica Européia. (European Photovoltaic Association) EPA Fator de Dimensionamento do Inversor. FDI Fator de Visão do Céu. FVC Gases de Efeito Estufa. GEE Sistema de Informação Geográfica (Geographic Information System) GIS Potencial de Aquecimento Global (Global Warming Potential) GWP Hospital das Clínicas. HC Agencia Internacional de Energia (International Energy Agency) IEA Laboratório de Dispositivos e Nano-estruturas. LDN Nível de Luz do Céu. NLC Núcleo de Tecnologia da Informação. NTI Pesquisa e Desenvolvimento. P&D PROINFA Programa de Incentivo as Fontes Alternativas. Photovoltaic Geographic Information System. PV-GIS Energias Renováveis. RE Sistema Fotovoltaico Conectado à Rede. SFCR Sistema Fotovoltaico com Bateria Conectado à Rede. SFCR-B Sistema de Informação Geográfica (Geographical Information System). SIG Condições Stand de Testes. STC Universidade Federal de Pernambuco. UFPE ÍNDICES E SÍMBOLOS Ambiente. amb. Gerador fotovoltaico. fv Inversor. inv. Sistema. s Ano / anual. a Dia / diária . d Hora/ horária . h Mês / mensal. m. ?. Eficiência. Y. Produtividade Ângulo de Inclinação do Plano do arranjo fotovoltaico Latitude. ß ?.

(16) METODOLOGIA DE AVALIAÇÃO DO POTENCIAL DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS CONECTADOS À REDE EM TELHADOS - APLICAÇÃO AO CAMPUS DA UFPE. Autora: Elielza Moura de Souza Barbosa. Orientador: Prof. Dr. Fernando Roberto de Andrade Lima Co-orientador: Prof. Dr. Osvaldo Soliano Pereira. RESUMO. O estabelecimento de políticas que possam fomentar o desenvolvimento da geração elétrica não centralizada em meios urbanos, mais especificamente, mediante a tecnologia de Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede (SFCR), depende fortemente da avaliação do seu potencial efetivo e de seus factíveis limites econômicos. Muito embora o conhecimento do potencial do recurso solar seja determinante, a avaliação deve ser acompanhada por estimativas da disponibilidade de superfície para as instalações, de informações relativas ao desempenho técnico do sistema e aos encargos e dividendos envolvidos em função da redução no consumo de energia da rede convencional. Dentro desse contexto, apresenta-se o desenvolvimento de uma metodologia de avaliação do potencial de geração elétrica por SFCR em telhados de espaços urbanos. A proposta metodológica tem como base norteadora a experiência adquirida em projetos de pesquisa e desenvolvimento (P&D), normalmente, direcionados para os aspectos técnicos envolvidos no desempenho global de sistemas fotovoltaicos. Os resultados experimentais obtidos, nesses estudos, têm respondido às expectativas e mostram, tecnicamente, que a tecnologia de SFCR apresenta-se como uma aplicação viável para a geração elétrica não centralizada em áreas urbanas, particularmente no Nordeste do Brasil. A metodologia fundamenta-se em avaliações referentes a três potenciais: o potencial físico representado pela quantidade.

(17) total de energia captada por determinada área em observação; o potencial geográfico traduzido no dimensionamento da área de captação da energia incidente e o potencial técnico relacionado à tecnologia de geração de energia fotovoltaica, desempenho e características técnicas dos equipamentos. Os procedimentos e ferramentas metodológicos utilizados foram agrupados em cinco ambientes em função dos produtos/resultados que podem ser gerados: o Ambiente Físico envolve informações climatológicas e meteorológicas e apresenta como produto, os índices de radiação incidente e de temperatura ambiente; o Ambiente Geográfico, cujas ferramentas utilizadas permitem a determinação das dimensões, dos posicionamentos e do fator Nível de Luz do Sol dos telhados das edificações. Fator indicativo da quantidade e qualidade da energia radiante incidente no plano do telhado; o Ambiente Técnico baseado em dados experimentais resultantes do monitorado por doze meses do SFCR UFPE III de 1,28 kWp instalado na UFPE; o Ambiente Econômico, proposto como gerador do tempo de retorno do investimento realizado e fonte de informações econômico- financeiras e o Ambiente Analítico, onde as informações são agrupadas, traduzidas em possibilidades de intervenções e apresentadas de forma mais acessível e espacialmente visíveis através de um sistema de informação geográfica (SIG) incorporado. O estudo enfoca especificamente, como universo de estudo, a área do Campus da Universidade Federal de PernambucoBrasil. No entanto, sua utilização não é restrita ao Campus UFPE, podendo ser utilizada para outros espaços desde que alguns parâmetros e condições, inerentes a cada ambiente proposto, sejam ajustados ou redefinidos em função das características e disponibilidade de dados sobre a localidade alvo. A metodologia, quando aplicada ao Campus da UFPE, apresenta como resultado global, cerca de 111 mil m2 de área de telhados disponíve is à instalação de SFCR. 75% dessa área, 83,6 mil m2 , apresenta valores do Nível de Luz do Céu classificados como Muito bom, (0,8= NLC = 1,0) e energia específica de 156 kWh/ m2 . Ou seja, a possibilidade de instalação em torno de 11 MWp de fotovoltaicos e produção estimada de 13 GWh/ano de energia disponível para ser injetada na rede da concessionária. Energia elétrica equivalente a seis meses do atual consumo da UFPE.. Palavras-chave: Sistema fotovoltaico conectado à rede; Avaliação do potencial de telhados fotovoltaicos; Desempenho global de sistemas fotovoltaicos; Fator de performance-PR; Nível de Luz do Céu e Fator de Visão do Céu..

(18) METHODOLOGY FOR POTENTIAL EVALUATIONS OF THE GRID CONNECTED PHOTOVOLTA IC SYSTEM ON THE ROOF- UFPE APLICATION. Author: Elielza Moura de Souza Barbosa. Adviser: Prof. Dr. Fernando Roberto de Andrade Lima Co adviser: Prof. Dr. Osvaldo Soliano Pereira. ABSTRACT. The establishment of policies that can allow the growth of decentralized electrical generation development in urban areas through Grid Connected Photovoltaic System (GCPVS) strongly depends on the evaluation of its potential efficacy and economic viability. Although knowing the potential areas is the determining factor, the evaluation should be accompanied by estimates of the available surface for installations, information relative to the system’s technical performance and to the profits and losses involved in the reduction of energy consumption of conventional grid. Within this context arises the development of a methodology to evaluate the potential for GCPVS electrical generation on the roofs of urban spaces. The methodological proposal is based on the experience acquired in the development of research projects (R&D) focused on technical aspects involved in the global performance of PV systems. The experimental results obtained in these studies have matched the expectations and technically, showed that the technology of GCPS has become a viable decentralized electrical generation in urban areas, particularly in the northeast of Brazil. The methodology is based on evaluations regarding three potentials: the physical potential, represented by the total energy collected by the determined area under observation; the geographical potential, which translates into.

(19) the dimensions of this area; and the technical potential, related to the photovoltaic energy generation technology, performance and technical characteristics of the equipment. The procedures and methodological tools used were grouped into five environments as functions of the products/results that may be produced: Physical Environment involves climatic and meteorological information and illustrates the radiation and environmental temperature indices; Geographical Envi ronment involves the obtaining of the dimensions, positions and Sunlight Level Factor of the buildings’ roofs, which indicates the quantity and quality of the incident radiation on the rooftops; Technical Environment based on experimental data which resulted from twelve months of monitoring the GCPVS UFPE III at 1.28 kWp; Economic Environment, in which the turnaround time for the return on investment is produced; and Analytical Environment, where the information was grouped, translated into intervention possibilities and presented in a more accessible and spatially visible form using an incorporated geographical information system (GIS). The case study focuses specifically on the area of the Federal University of Pernambuco-Brazil. However, its use is not restricted to the UFPE Campus. The developed methodology could be used in other areas if certain parameters and conditions, inherent to each proposed environment, were adjusted or redefined in terms of the characteristics and availability of data about the target location. The methodology when applied to the UFPE Campus shows: 111,000 m2 of the roof are available area for the installation of GCPS; 75% of this area, 83,600 m2 , shows a high values of the Sunlight Level factor, (0,8= SL = 1,0), indicating a specific energy of 156kWh/m2 . It allows the installation of 11MWp with an estimated production around 13 GWh/year. The electrical energy production is equivalent to six months of electrical consumption of the University Campus. Key words : Grid connected photovoltaic system; Potential estimation of photovoltaic roofs; Global performance evaluation of grid connected system; Performance RatioPR, Sunlight Level Factor, Sky View Factor..

(20) 1. CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO. No Brasil, as iniciativas e estudos utilizando o conceito de Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede (SFCR) de abastecimento elétrico datam do ano de 1980. No entanto, só no final da década de 90, ocorreu uma fase de aceleração dessa tecnologia com a implantação de diversos projetos de pesquisa e desenvolvimento (P&D) nas universidades e centros de pesquisas nacionais. As iniciativas, quase todas de pequeno porte, apresentam diversificações relacionadas ao tipo da célula fotovoltaica, às capacidades nominais, às configurações gerador/inversor e às modalidades de conexões com a rede elétrica convencional.. Dados do final de 2007 acusam a existência de não mais que 100 kWp de SFCR com capacidades nominais entre 0,85 a 11 kWp instalados e em funcionamento no Brasil. Uma capacidade instalada bastante reduzida quando comparada às ocorrências mundiais, principalmente nos países desenvolvidos como a Alemanha e o Japão, com cerca de 2.800 e 1.540 MW de fotovoltaicos conectados à rede em 2007, (RENEWABLES GLOBAL STATUS REPORT-REN21, 2007 em www.ren21.net).. No entanto, diferentemente do Brasil, que tem na sua matriz energética uma geração de eletricidade fortemente renovável, de cerca de 89%, (BEN, 2007), a grande maioria dos países apresenta matrizes energéticas baseadas em combustíveis não renováveis, sobretudo o petróleo e o carvão, o que obriga a busca por soluções energéticas mais limpas. O custo financeiro da geração renovável pode ser mais alto, porém, o custo ambiental tem se mostrado compensador..

(21) 2. As iniciativas brasileiras, mesmo com sistemas de pequeno porte, têm sido extremamente importantes. Diversos projetos de P&D vêm sendo realizados por vários grupos de pesquisadores e os resultados divulgados expandem o conhecimento dessa aplicação tecnológica que vem apresentando mundialmente um crescimento exponencial, notadamente desde o final da década de 90, com um crescimento médio anual de 30 a 40 % desde 2001, MAYCOCK (2005).. A grande maioria desses projetos de P&D realizados ou em realização tem como objetivo estudos vinculados aos aspectos técnicos do desempenho global dos SFCR. Nos últimos anos alguns estudos da potencialidade da tecnologia de SFCR vêm sendo realizados. Normalmente, essas realizações têm como foco sempre a demanda elétrica de uma determinada localidade visando à redução do consumo de energia ou melhoria na qualidade do serviço elétrico fornecido pelas companhias elétricas.. Dentro desse contexto, o Grupo de Pesquisa em Fontes Alternativas de Energia do Departamento de Energia Nuclear-Universidade Federal de Pernambuco (Grupo FAE/UFPE) iniciou seus estudos em SFCR no ano 2000. Os projetos foram direcionados para os aspectos técnicos envolvidos no desempenho global dos sistemas em função de suas configurações, tipo de tecnologia dos módulos fotovoltaicos e dos climas das regiões.. Atualmente, o Grupo FAE conta com três sistemas de diferentes configurações instalados em regiões com características climatológicas diferenciadas: Sistema São Lucas localizado na Ilha de Fernando de Noronha/Mar Atlântico de clima tropical úmido, Sistema Lampião na Região Xingó, semi-árido do Nordeste de clima tropical seco e o Sistema UFPE, localizado na área de testes do Grupo FAE, na cidade do Recife com clima tropical úmido.. Concordante com vários estudos realizados por outros grupos de pesquisas nacionais, os resultados que vêm sendo obtidos tem respondido às expectativas e mostram que tecnicamente a tecnologia de SFCR apresenta-se como uma aplicação viável para a geração elétrica não centralizada em áreas urbanas no Brasil.. No entanto, há um vazio relacionado a estudos mais aprofundados sobre o potencial de geração de energia por SFCR em espaços urbanísticos. Ou seja, uma ausência.

(22) 3. de metodologias de avaliação desse potencial levando em consideração o desenvolvimento da massa urbana e que possam subsidiar programas de planejamento elétrico com energias renováveis.. O estabelecimento de políticas que possam fomentar o desenvolvimento da geração elétrica não centralizada em meios urbanos, mediante sistemas fotovoltaicos conectados à rede depende fortemente da avaliação do seu potencial efetivo e de seus factíveis limites econômicos.. Com o objetivo de desenvolver uma metodologia de avaliação do potencial de geração elétrica por SFCR em coberturas de edificações urbanas, aplicação denominada de Telhados Solares ou Telhados Fotovoltaicos em Espaços Urbanos, apresenta-se a presente proposta.. De forma praticamente obrigatória, metodologias de avaliação de potencial de energia renovavam (RE) consideram três níveis hieráticos de avaliações: a existência da fonte do recurso energético, a disponibilidade e possibilidade de sua captação e os meios técnicos existentes para transformar o recurso em energia útil.. Mesmo na geração solar, essa avaliação não se limita ao conhecimento do potencial do recurso solar. Muito embora esse seja determinante, deve ser acompanhado por estimativas da disponibilidade de superfície para as instalações, de informações técnicas relativas ao desempenho de SFCR, dos custos envolvidos e de possíveis créditos de Carbono (CO2 evitado) em função da redução no consumo da energia da rede convencional pela utilização da energia limpa gerada.. A metodologia desenvolvida, nesse trabalho, tem como base avaliações referentes a três potenciais: o potencial físico, representado pela quantidade total de energia captada pela área em observação; o potencial geográfico, traduzido no dimensionamento da área de captação da energia incidente e o potencial técnico relacionado à tecnologia de geração de energia FV, desempenho e características técnicas dos equipamentos. As interações desses potenciais resultam em estimativas das possibilidades da geração elétrica FV no espaço foco selecionado..

(23) 4. Os procedimentos e ferramentas metodológicos utilizados nas avaliações desses potenciais e na obtenção de informações econômico- financeiras foram agrupados em cinco ambientes em função dos produtos/resultados que podem ser gerados como ilustrado na Figura1. 1. O Ambiente Físico envolve informações climatológicas e meteorológicas da região, provenientes de mapas, Atlas e base de dados de estações climatológicas. Apresenta, como produto, os índices de radiação incidente no local.. Figura 1- Esquema ilustrativo da metodologia desenvolvida..

(24) 5. 2. O Ambiente Geográfico utiliza ferramentas e dados relativos à disponibilidade da área útil para a instalação do sistema: mapas, plantas, imagens e/ou fotografias via satélites das áreas georeferenciadas, bases de dados demográficos, sociais e urbanistas. Apresenta como produto: o fator Nível de Luz do Céu (NLC), indicativo da quantidade e qualidade de visão de céu da localidade foco e estimativas das áreas de telhados úteis e disponíveis a instalação de SFCR.. 3. O Ambiente Técnico tem como base fundamental informações técnicas do sistema e de seus componentes provenientes de catálogos dos fabricantes ou de avaliações técnicas de sistemas protótipos. A análise técnica baseada em dados experimentais permite que os parâmetros de desempenho do sistema: eficiências do sistema e de seus componentes, produtividades e coeficiente global de desempenho sejam determinados em reais condições de operação. Como produto final, apresenta a produção total de energia, o coeficiente global de desempenho (PR) do sistema e o valor da densidade de potência específica para a região em estudo.. 4.. O Ambiente Econômico caracteriza e discrimina os a composição dos custos envolvidos na instalação de um SFCR. Gera como produtos, para um determinado SFCR: o tempo de retorno do investimento realizado e o crédito de carbono proveniente da redução no consumo de energia elétrica. Para esse balanço, propõe-se, como ferramenta básica, programas de fluxo de caixa direcionados à análise de projetos de energias renováveis.. 5.. O Ambiente Analítico é responsável pela apresentação dos resultados e informações disponíveis de forma mais acessível e espacialmente visíveis. Recebe como dados de entrada os produtos dos demais ambientes. Agrega todas as informações traduzindo-as em possibilidades de intervenção. O agrupamento das informações é realizado utilizando-se como ferramenta a metodologia de Sistema de Informação Geográfica- SIG, (Geographical Information Sistem-GIS).. A metodologia desenvolvida é especificamente aplicada no estudo-caso Campus da Universidade Federal de Pernambuco-Brasil. Nesse caso, o ambiente técnico conta com uma forte base experimental cujos resultados são provenientes da avaliação técnica do.

(25) 6. desempenho de um sistema fotovoltaico conectado à rede instalado na Área de Testes do Grupo FAE/UFPE.. No entanto, sua utilização não é restrita ao Campus UFPE, podendo ser utilizada para outros espaços desde que alguns parâmetros e condições sejam ajustados ou redefinidos em função da disponibilidade de dados sobre a localidade.. O trabalho encontra-se apresentado em cinco capítulos: No Capítulo 2, é apresentada uma revisão bibliográfica sob a forma de marcos referenciais da tecnologia fotovoltaica e de temas interdisciplinares pertinentes ao desenvolvimento da metodologia proposta.. O Capítulo 3 apresenta o produto deste trabalho . composto pelo desenvolvimento da metodologia proposta. Aborda os cinco ambientes esquematizados, estabelecendo os critérios e ferramentas e gerando os procedimentos necessários ao desenvolvimento da metodologia para a avaliação do potencial de SFCR em telhados de edificações urbanas. As áreas são classificadas segundo o Nível Luz do Céu que Como suporte ao Ambiente Técnico, apresenta o desenvolvimento, a monitoração e a avaliação técnica de um sistema teste, o SFCR-UFPE III de 1,28 kWp de módulos fotovoltaicos de Silício policristalino, instalado na Área de Testes do Grupo FAE.. Os resultados da avaliação técnica sobre a base de dados experimentais de um ano de ocorrências no SFCR-UFPE III mostram que 1,6 MWh são produzidos por ano. O Fator de Desempenho Global, resultante da base experimental, é utilizado em um modelo de simulação para calcular a energia produzida por um SFCR padrão de 10m2 de área fotovoltaica. Os resultados da simulação indicam uma energia específica de 156 kWh/m2 para um SFCR instalado em coberturas de edificações, bem posicionados e livres de sombras.. No Capítulo 4, como resultado, a metodologia é aplicada ao Campus da UFPE e uma avaliação do potencial de geração de energia por SFCR nos telhados da UFPE é apresentada. As informações são agregadas em forma de tabelas, associadas e representadas espacialmente pelo SIG- SFCR/UFPE. Os mapas resultantes mostram as potencialidades dos telhados em termos de área útil disponível, do Nível de Luz do Céu e.

(26) 7. de produção de energia. Diversas possibilidades podem ser representadas como os melhores e/ou menos favoráveis telhados classificados pelo Nível de Luz do Céu, energia produzida e grau de não alinhamento da posição em relação à captação da radiação solar, por exemplo. Como resultado global, cerca de 111 mil m2 de área de telhados encontram-se disponível para a instalação de SFCR no Campus UFPE. 75% dessa área, 83,6 mil m2 , apresenta Nível de Luz do Céu muito bom, indicativo da possibilidade de produção de 156 kWh/m2 de energia. Ou seja, da possibilidade de instalação em torno de 11 MWp de fotovoltaicos e produção estimada de 13 GWh/ano de energia elétrica disponível para ser injetada na rede da concessionária.. Dentro desse contexto, como sugestão e recomendação, propõe-se a instalação de um SFCR no Centro de Tecnologia e Geociências da UFPE. Três opções de telhados são indicadas: o do prédio de Graduação, o do Auditório Central e o do Laboratório de Dispositivos e Nano-estruturas. Esses espaços apresentam valores do fator Nível de Luz de Céu igual a um, disponibilidades de área útil compatíveis com cerca de 300 kWp, 60 kWp e 40 kWp, capazes de produzir aproximadamente 360, 72 e 47 MWh/ano de energia, respectivamente.. As possibilidades de pesquisa, desenvolvimento de produtos, intercâmb io de pesquisadores, convênios com empresas envolvendo as mais diversas áreas de conhecimento seriam enormes. Grupos de pesquisa e alunos, nas áreas de eletrônica, elétrica, civil, mecânica e também de outros ramos como arquitetura e economia, por exemplo, poderiam contar com o sistema como um verdadeiro laboratório e a UFPE despontar como inovadora no uso da tecnologia de telhados solares.. A metodologia desenvolvida apresenta-se como um mecanismo disponível, versátil e rápida para estimativas do potencial de sistemas solares em telhados e áreas similares. Especificadamente o procedimento de avaliação da área útil do telhado pode ser utilizado para outro objetivo, por exemplo, como estimativa do potencial de captação de água de chuva e do potencial de aquecimento de água por coletores solares..

(27) 8. CAPÍTULO 2 MARCOS DE REFERÊNCIA TÉCNICOS E INTERDISCIPLINARES. Atualmente, outras razões não estritamente econômico- financeiras como a pesquisa, a preocupação com racionamento de energia, a busca por diferentes e complementares fontes de energia, a necessidade de redução de emissões contaminantes e pela preservação do meio ambiente têm dado origem a numerosos programas de incentivo ao Desenvolvimento de Mecanismos Limpos (DML).. Dentro desse enfoque, destaca-se a aplicação da geração de energia elétrica solar, mais especificamente da produção de eletricidade por Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede (SFCR).. A utilização da tecnologia de SFCR tem apresentado níveis de crescimento da ordem de 30 a 40% ao ano. Representava, no início da década de 90, apenas 3% do mercado fotovoltaico chegando ao ano de 2007 detentora de 90%, cerca de 2.763 MW, da produção fotovoltaica mundial, (MINTS, 2008).. Apresenta-se a seguir uma revisão bibliográfica abordando diversos aspectos da tecnologia fotovoltaica, mais diretamente relacionados a marcos referenciais da geração de energia elétrica via SFCR e a temas correlacionados a tecnologia solar. Referências mais pertinentes aos procedimentos de estimativas do potencial de SFCR em centros urbanos serão abordadas no decorrer do desenvolvimento deste trabalho..

(28) 9. 2.1 Concepção da aplicação tecnológica de geração FV interligada à rede. Basicamente um sistema fotovoltaico conectado à rede é composto por dois equipamentos principais: o gerador, constituído pelo conjunto de módulos fotovoltaico (FV), chamado arranjo FV, responsável pela coleta da irradiação solar incidente no seu plano e geração da energia elétrica com tensão de corrente contínua (CC); e o inversor que transforma e inverte a energia produzida na tensão de operação da rede elétrica convencional, corrente alternada (CA). A energia útil produzida pode ser injetada na rede da concessionária de energia elétrica para ser distribuída aos consumidores ou pode ser direcionada diretamente para o consumidor. Nesse caso, quando há saldo entre a produção e o consumo do usuário, esse pode ser injetado na rede e, no caso contrário, a rede complementa o déficit demandado pelo usuário, como mostra o esquema da Figura 2.. Figura 2- Esquema ilustrativo da aplicação de sistemas fotovoltaicos conectados à rede.. Cabe distinguir dois tipos de filosofia, bem diferenciadas, da aplicação de sistemas fotovoltaicos interligados à rede:. 1. Sistemas que injetam energia na rede convencional de companhias de abastecimento de energia elétrica: Centrais Fotovoltaicas ou Sistemas Interligados de Grande Porte com capacidade nominal maior que 100 kWp 1 ;. 1. [kWp] Potência do gerador fotovoltaico no ponto de máxima eficiência; ponto de máxima potência (P max) em Condições Stands de Testes STC (Massa de ar, 1,5; Temperatura ambiente, 250 C; Irradiância 1000 W/m2 ).

(29) 10. 2. Sistemas que trocam energia com a rede convencional: Minicentrais ou Sistemas Conectados à Rede com capacidades nominais da ordem de unidades a dezenas de kWp, (valor típico residencial <10 kWp).. Para sistemas com altas potências e com potências menores que 100kWp, as diferenç as de filosofia de concepção reportam-se mais ao critério da injeção da energia (com ou sem a participação do usuário) na rede do que com a capacidade nominal do sistema.. Dentro do primeiro grupo, geralmente, os sistemas são operados por companhias de energia elétrica e seu funcionamento está regido pelas normas de injetar na rede toda a potência que, em qualquer instante, seja capaz de produzir. Normalmente, as tensões de operação são elevadas, por exemplo, 400 Vcc é uma configuração muito frequente. Apresentam boa confiabilidade e necessitam pouco tempo para construção (<1 ano), (LORENZO et al., 1994).. Como exemplo histórico dessa aplicação pode-se citar as seguintes centrais, (LORENZO et al., 1994; FRAIDENRAICH e LYRA, 1995): •. Central de Carrisa: 6 MWp, (Califórnia/Estados Unidos da América - 1983) por muito tempo a maior já construída;. •. Central de San Agustín de Guadalix: 100 kWp, (Madrid/Espanha - 1985);. •. Central de Toledo: 1 MWp ( Castrejón, Espanha - 1993).. Atualmente, registram-se em operação algo em torno de 1000 centrais com capacidades de 1 MW a 60 MW, (www.pvresouces.com,). Como por exemplo: •. Na Espanha as centrais: de Junqueira com 1,5 MWp (2007), com estimativa de geração de 3,2 milhões de kWh/ano e redução de 2.300 ton/ano de CO2 , (www. re-focus.net em 18/04/07); a Central de Olmedilla com 60 MW e a Central de Puertollano com 50 MW, ambas instaladas em 2008, (www.pvresources.com).. •. Em Portugal as centrais: de Moura com 46 MW (2008) e Central de Serpa com 11 MW (2007). Para a Central de Serpa, ilustrada na Figura 3, a previsão de produção é de 20 GWh/ano (suprimento para cerca de.

(30) 11. 8.000 habitações) e de redução de 30.000 ton/ano de gases de efeito estufa, (RAULSTON, J.C.em www.pvresouces.com em 09 de junho de 2007).. CENTRAL FV SERPA. P=11 MWp 52 mil módulos FV Área: 32 hectares Investimento: 61 milhões de Euros Tarifa: 31 cEU/kWh Previsões Produção: de 20 GWh/ano Redução de 30.000 ton/ano de gases de efeito estufa. Figura 3 - Ilustração de central fotovoltaica: Central de Serpa-Portugal.. A segunda concepção importa em consumidores (residenciais e/ou comerciais) de energia da rede concessionária que incluem, em sua instalação elétrica, um sistema fotovoltaico conectado à rede. Estabelece-se um sistema de troca de energia e não somente de venda. Há uma associação consumidor-gerador que pode trocar energia com a rede: decidir injetar (vender) energia à rede nos momentos em que a geração FV é superior ao seu consumo, e extrair (comprar) energia da rede em caso contrário. Ou seja, a energia gerada não necessita atender toda a demanda do consumidor, pois, em situação de déficit, a oferta é complementada pela rede e, em caso de excesso, este é repassado à concessionária, gerando crédito para o proprietário-usuário, (RÜTHER, 2000; LORENZO, 1994).. Em algumas situações, podem ser incorporados, ao fluxograma do processo, acumuladores de energia. Nesses casos, o sistema é denominado Sistema Fotovoltaico Conectado à Rede com Baterias (SFCR-B). Essa alternativa, geralmente, é utilizada em localidades onde o abastecimento de energia pela rede não apresenta boa qualidade como.

(31) 12. consequência da pouca capacidade da linha de transmissão em relação ao consumo. A energia é injetada no ponto problemático da rede. A energia é proveniente do gerador durante o dia, e do banco de baterias à noite ou na hora de maior consumo. A recarga da bateria pode ser realizada via o gerador fotovoltaico ou através da própria rede, nas horas de menor consumo. Desse modo, o sistema permite diminuir a carga aparente da rede nos momentos de maior consumo.. Como consequência, a qualidade do abastecimento pela rede de energia elétrica melhora afetando positivamente a economia do sistema. No entanto, em relação à opção sem baterias o custo, nesse caso, com a manutenção é bem maior, além da geração de lixo tóxico com a troca dos acumuladores de energia.. Na aplicação de SFCR, quando, além de conectado à rede o sistema apresenta os módulos fotovoltaicos integrados à edificação, são denominados de Edificações Fotovoltaicas Conectadas à Rede (EFCR). Opção que requer prudência rigorosa com a segurança e que apresenta grande possibilidade de inserir o arranjo FV à arquitetura do edifício como elementos da própria construção física do espaço (telhados, fachadas). Por esse motivo, chamada Aplicação de Zero Ocupação de Área.. As experiências até então existentes apresentam resultados muito positivos. Como exemplos históricos, podem-se citar várias iniciativas isoladas ou programas institucionais e privados, alguns deles ilustrados na Figura 4. • Centro de Informação Solar-Alemanha, (Gelsenkirchen-1966); • Colégio Novo Horizonte de Las Rozas; 54 kWp ( Madri, 1976/77); • Biblioteca de Marató: 33,5 kWp (Madri-1976/77); • Universidade do Texas, Arlington, 1978: 1ª residência conectada à rede; • Programas dos Estados Unidos da América, como o Califórnia PV que até o ano 2000 já contabilizava 3.000 MWp; • Programa do Japão-Teto Solar, iniciado nos idos de 1960. No período de 1994 a 2004 com cerca de 70.000 instalações em tetos de residências (3 a 4 kWp/casa) foram realizadas; • Programa da Alemanha -100.000 Telhados Solares, 1999. Com cerca de 300 MWp até 2004..

(32) 13. a) Biblioteca em Maloro-Espanha. c) Centro de Informação Solar Gelsenkirchen-Alemanha. e) Residências do Programa Alemão. b) Estacionamento da BP SOLAR. d)Edificação em Meckenhein -Alemanha. f) Ed. da Siemens Solar/HQ Munique- Alemanha. Figura 4 - Ilustrações de sistemas fotovoltaicos conectados à rede..

(33) 14. 2.2 Sistemas fotovoltaicos conectados à rede no Brasil. Atualmente, no Brasil, há diversas iniciativas e estudos utilizando o conceito de Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede (SFCR) de abastecimento elétrico. No entanto, diferentemente da aplicação fotovoltaica com sistemas autônomos, hoje, incorporada como mais uma forma viável de estender o atendimento elétrico a vá rias regiões do país 2 , as realizações em SFCR situam-se no âmbito de projetos de pesquisa e desenvolvimento (P&D) nas universidades e centros de pesquisas.. Uma estimativa promissora, considerando novos pequenos sistemas ou a ampliação de sistemas já existentes, resulta que não há mais que 100 kWp de SFCR instalados e em operação no Brasil. Ressalta-se a dificuldade de mapear e quantificar o total existente. Provavelmente, informações sobre várias instalações não são divulgadas ou os sistemas são instalados durante um curto período como experimentos, e depois são desativados.. Na Tabela 1, consta uma relação de sistemas instalados até meados de 2007, seguida de ilustrações de alguns desses sistemas na Figura 5.. As iniciativas e estudos utilizando o conceito de sistemas interligados à rede foram iniciadas em meados da década de 80 com um sistema híbrido Solar/Eólico/Diesel de 11 kWp direcionado à Ilha de Fernando de Noronha. Foi instalado pela Companhia Hidroelétrica do São Francisco (CHESF) na cid ade de Natal e desativado em 1991, (ZILLES et al., 1998).. Lamentavelmente, só seis anos depois, em 1997, as experiências com essa alternativa tecnológica foram retomadas com a instalação de um SFCR pelo Grupo do Laboratório Solar da Universidade Federal de Santa Catarina (LABSOLAR/UFSC). Primeiro SFCR a utilizar a tecnologia de Silício amorfo (a-Si) e de módulos integrados à. 2. Durante os anos de 1999 a 2005, foram instalados no Brasil cerca de 5 MWp de sistemas fotovoltaicos direcionados ao meio rural pelo Ministério de Minas e Energia através do Programa de Desenvolvimento dos Estados e Municípios (PRODEEM-MME).Com a Universalização da Energia a eletrificação fotovoltaica continua sendo realizada pelas companhias de energia elétrica com subsídios do Governo Federal, a exemplo do que ocorre nos Estados de Bahia e Minas Gerais..

(34) 15. edificação. Esse sistema é composto por 68 painéis de (a-Si) totalizando 2,08 kWp de potência e integrado em 40 m2 de área na fachada do laboratório, (RÜTHER, 2000).. Tabela 1 - Sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica no Brasil- 2007. Ano de Instalação. Sistema (kWp). 1981 1997 1998 1999 2000. 11,0 2,08 0,75 0,85 2,5. 2000 2001 2002 2002 2002 2002. 1,15 6,3 / 11,3 10,0 16,0 3,3 2,5. 2003 2003 2004 2004 2004 2004 2005. 4,2 6,0 4,8 3,0 0,85 3,0 1,6 / 1,3. 2006 a 2007 2007. 44,4 3,0 4,0 1,5. Instalação Local CHESF-Natal-RN Labsolar/UFSC-SC LSFIEE/USP-SP COPPE/ UFRJ-RJ FAE/UFPE-PE: Na Escola Pública de Fernando de Noronha/PE Sistema Arquipélago (desativado) Labsolar/UFSC-SC LSF/IEE/USP-SP. Configurado para 11,3 kWp em 2005 Labsolar/UFSC-SC CEPEL-RJ Rio de Janeiro-RJ FAE/UFPE-PE: No Hospital Público de F. de Noronha. Sistema com baterias (SFCR-B). Sistema São Lucas ( Fig. 2a) CELESC-SC LSF-IEE/USP-SP UFRGS-RS CEMIG-MG Escola Técnica de. Pelotas-RS LSF/IEE/USP-SP FAE/UFPE-PE: Na Área de Testes FAE-Recife/PE. Recomfigurado em 2006 para 1,3 kWp Sistema UFPE III (Fig. 2b) CENPES-ES UFRGS CEMIG-MG IX-FAE/UFPE-PE: Em Piranhas/AL- Rio São Francisco Sistema Lampião (Fig. 2c). Logo em seguida, em 1998, foi instalado um sistema de 0,75 kWp no Laboratório de Sistemas Fotovoltaicos do Instituto de Energia Elétrica da Universidade de São Paulo (LSF/IEE/USP). Os resultados promissores apresentados por esses dois sistemas, em conjunto com as excelentes perspectivas apresentadas mundialmente, induziram e incentivaram novas iniciativas no Brasil..

(35) 16. O quarto sistema foi instalado em 1999 na Universidade Federal do Rio de Janeiro com 0,85 kWp de módulos de Silício monocristalino.. Em setembro de 2000, foi instalado o primeiro sistema na Ilha de Fernando de Noronha, na Escola Pública Arquipélago, com 2,5 kWp e desativado em 2004 (BARBOSA et al., 2004). Ainda no ano de 2000, foi instalado o segundo sistema da UFSC com 1,1 kW e, posteriormente, um de 6,3 kWp no (LSF/IEE/USP).. Entre os anos 2001 e 2002, mais quatro sistemas foram implantados: de 10 kWp instalado pelo LABSOLAR/UFSC, 16 kWp no Centro de Pesquisas de Energia Elétricas da Eletrobrás (CEPEL), 3,3 kWp no HR, hospital no Rio de Janeiro e o segundo sistema de 2,5 kWp no hospital público da Ilha de Fernando de Noronha pelo FAE/UFPE. Esse sistema foi projetado para operar associado a um banco de baterias e, durante o período de monitoramento, até meados de 2006, gerava cerca de 8,5 kWh/dia, Figura 5a, (BARBOSA, et al., 2004).. Mais 23,5 kWp fora instalados entre 2003 e meados de 2005: 4,2 kWp pela Centrais Elétrica de Santa Catarina (CELESC), 6,0 kWp e 3,0 kWp no LSF/IEE/USP, 4,8 kWp na Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS), 3,0 kWp na Companhia Elétrica de Minas Gerais (CEMIG), 0,83 kWp numa Escola Técnica da cidade de Pelotas e o primeiro sistema instalado na UFPE com 1,66 kWp pelo FAE/UFPE. Esse sistema passou por várias configurações e, em 2006, foi reformulado para 1,3 kWp, Figura 5b, (BARBOSA, et al., 2006).. Entre o final do ano de 2006 e 2007, cerca de 50 kWp estavam previstos ou sendo instalados: 44,0 kWp no Centro de Pesquisa da PETROBRÁS (CENPES), mais 3,0 kWp na UFRGS e 4,0 kWp na CEMIG.. Em junho de 2007, foi instalado o terceiro sistema pelo grupo FAE/UFPE em colaboração com o Instituto Xingó (IX), no Restaurante Angicos, localizado no Rio São Francisco, o primeiro sistema instalado em um espaço comercial, Figura 5c. Foi projetado para reduzir em 50% o consumo de energia do estabelecimento, o quê vem se verificando, (BARBOSA et al., 2008)..

(36) 17. a) SFCR São Lucas na Ilha de Fernando de Noronha/PE.. b) SFCR- UFPE III na Área de Testes FAE -UFPE- Recife/PE.. c). SFCR-Lampião no Rio São Francisco Região de Xingó/AL.. Figura 5 – Vistas de SFCR instalados e em operação pelo Grupo FAE/UFPE..

(37) 18. 2.3 Aspectos relacionados à tecnologia das células solares. Na produção comercial de células solares, destacam-se dois tipos de tecnologia, segundo a natureza da composição química e dois tipos de processos de produção:. Tipos de tecnologias: •. Tecnologia do Silício cristalino (c-Si) ou amorfo (a-Si). O (c-Si) por sua vez pode assumir a forma de mono ou, policristalino, (m-Si e p-Si) - Elemento básico, o Silício é o segundo elemento mais abundante na crosta da Terra;. •. Tecnologia do Telureto de Cádmio (CdTe) e do Disseleneto de Cobre e Índio (CIS) ou Cobre, Índ io e Gálio. Elementos básicos pouco abundantes (Ga, Te, Se, In, Cd) na natureza e altamente tóxicos (Cd, Se, Te).. Tipos de processo de produção: •. Tecnologia de lâminas cristalinas: as células fotovoltaicas são produzidas pela laminação de tarugos de Silício, apresentado, geralmente, em formas circulares de diâmetro de 0-15 cm ou quadradas de 10 cm2 , com espessuras de 300-400·µm e eficiências de conversão da ordem de 15,3 a 17,5% e 13,5 a 15% e 5,0 a 7,0% para células monocristalina, policristalina e amorfo respectivamente. As eficiências dos correspondentes módulos são bem menores, decorrentes das perdas no processo de produção, na faixa de 13 a 16% para módulos de Silício cristalino e 6 a 8% par o silício amorfo.. •. Tecnologia de filmes finos: as células são produzidas por deposição do material semicondutor num substrato com espessuras em torno de 1,0µm e eficiências de 9 a 11%. Os módulos comerciais apresentam eficiências na faixa de 8 a10%.. Segundo Maycock (2005), aproximadamente, 85% (1.011 MW) da produção mundial de fotovoltaicos (células e módulos), no ano de 2004, foram baseadas na tecnologia do (c-Si). Apesar da expansão da tecnologia de filmes finos, apenas 47 MW (3,9%) correspondeu à tecnologia de células de (a-Si). No mesmo período, foram produzidos cerca de 3 MW de células fotovoltaicas com a tecnologia (CIS) e 13 MW com a tecnologia (CdTe)..

(38) 19. Diversos programas ou projetos têm utilizado módulos com a tecnologia de (p-Si) justificado pelo seu custo mais razoável que (m-Si), mesmo apresentando uma necessidade maior de área. As tecnologias de Silício amorfo e de filme fino requerem maiores áreas em função de apresentarem eficiências mais baixas. O filme fino constituído de material flexível pode ser utilizado em superfícies curvas e trabalha melhor com a luz difusa que o Silício mono ou policristalino. Para as três tecnologias atualmente mais comercia is apresenta-se, na Tabela 2, um resumo com as principais características de seus respectivos módulos, (LORENZO, 1994; FRAIDENRAICH e LYRA, 1995; FRAIDENRAICH et al., 2003).. Tabela 2 - Propriedades dos principais tipos de módulo fotovoltaicas comerciais (SFCR). Tipo de Célula. Eficiência. Durabilidade. Monocristalino. 13 a 15%. = 30 anos. Policristalino. 10 a 13%. = 25 anos. Amorfo. 5 a 8% = 25 anos. Filme Fino. 8 a 10%. Comentários Tecnologia mais tradicional, líder de mercado. Maior eficiência e confiabilidade; requer menor área, custo mais elevado; alto consumo de energia no processo de produção, (alto tempo de retorno energético=3 anos). Comumente utilizada, boa eficiência e custos mais razoáveis. A diferença no custo final ($/Wp) entre o (m-Si) e o (p-Si) é pouco significativa. Baixas eficiênc ias; requer grandes áreas. De material flexível pode ser utilizada em superfícies curvas. Trabalha melhor com luz difusa e apresenta custo/ m2 menor que o mono e policristalino (c-Si). Retorno energético de cerca de 1 ano. Grandes atrativos para o setor de arquitetura.. 2.4 Aspectos relacionados à emissão de gases de efeito estufa.. A emissão de Gases de Efeito Estufa, (GEE), cada vez mais se torna importante argumento como justificativa para a implantação de sistemas com tecnologias de energias renováveis, também conhecidas como tecnologias de zero emissão..

(39) 20. A metodologia de cálculo da quantidade de GEE, evitada pela aplicação de energias renováveis, deve levar em consideração a fonte de energia substituída, a energia útil produzida, além do tipo de tecnologia e capacidade do sistema de tecnologia renovável adotado. A estimativa das emissões de GEE, decorrentes do uso de energia que foi consumida na fabricação e transporte do sistema, também deve ser considerada.. A quantidade total de Gases de Efeito Estufa (GEE) é expressa em toneladas equivalentes do gás Dióxido de Carbono, (ton CO2 ). O resultado é calculado considerandose o Potencial de Aquecimento Global (GWP- Global Warming Potential) 3 de cada gás em relação ao GWP do CO2 , (GWPCO2=1). Por exemplo, o GWP do NO2 é igual a 310 significando que 1 tonelada do gás NO2 tem o poder de causar 310 vezes mais o aquecimento global que 1 tonelada de CO2 , (www.retscreen.net em 7 julho 2007). Considerando a tecnologia fotovoltaica, segundo Pereira et al. (2003), 80 kg de CO2 devem ser contabilizados, decorrentes do processo de fabricação do módulo, para a obtenção dos créditos de carbono. Os autores adotaram como referência, um sistema fotovoltaico autônomo de 50 Wp, gerando 0,2 kWh/dia, e o valor de defaut de 115,43 kgCO2 /ano (com base em energia a carvão), considerado o mais representativo como cenário de referência para o cálculo das emissões evitadas para a implantação de projetos de eletrificação rural no Estado da Bahia.. Ramiro et al. (2004) afirma que as emissões de CO2 e SO 2 , evitadas graças à energia gerada (160,8 MWh/ano) por um sistema fotovoltaico de 96,6 kW interligado à rede frente à produção por uma central térmica de gás, são de 77.575 kg/ano e 64 kg/ano respectivamente.. Estimativas da redução de 48 toneladas de CO2 são noticiadas como beneficio ambiental do moderno SFCR recentemente instalado no Count Council-owned Optioma Innovation Center na Inglaterra com 105 kWp e estimativa de 68.700 kWh/ano de energia produzida, (SOLAR NEWS/RE-FOCCOUS, maio/junho 2005).. 3. Guidelines for Greenhouse Gás Inventories, 1996. Revised Intergovernmental Panel on Chance (IPCC).

(40) 21. Chirani et al., (2006), afirma que, segundo a European Photovoltaic Association (EPA), um sistema fotovoltaico de 1 kW previne que 1,136 kg de poluentes sejam injetados no ambiente, incluindo: CO2 , 3,63 kg de NOx e 3,63 kg de SOx . Baseado nessa informação, o autor afirma que cerca de 76.538,77 kg COx , 117,34 kg SOx e 150,42 kg de NOx foram evitados com a injeção na rede de 75 MWh, produzidos em dois anos de operação de um SFCR de 30 kWp, instalado na cidade de Tehran-Iran, que apresenta um nível de radiação de 4,5 kWh/m2 dia.. Resumindo as informações, 0,5 a 2,3 kg CO2 /Wp ou 0,7 a 1,6 Kg CO2 /KWh são evitados em função da tecnologia solar aplicada, da capacidade do sistema e da energia útil produzida em confronto com o tipo da fonte de energia convencional (gás, carvão...). Em termos de média mundial, utiliza-se uma taxa de 1,0 kg de CO2 /kWh quando o diesel é o combustível confrontado. No caso de matriz energética mista e fortemente hídrica, como a do. Brasil,. utiliza-se. 0,09. a. 1,1. kg. de. CO2 /kWh,. (Programa. RETScreen-. www.retscreen.net). 2.5 Aspectos relacionados ao mercado fotovoltaico. Desde a época da criação da moderna célula solar de Silício, em 1954, a meta da indústria fotovoltaica tem sido tornar a tecnologia fotovoltaica economicamente competitiva. O desenvolvimento de equipamentos e materiais (células, módulos, inversores...) mais eficientes e processos de fabricação mais produtivos têm provocado quedas. significativas. principalmente. no. preço. do. módulo. FV. (US$/Wp). e. consequentemente no custo da energia produzida (US$/kWh).. Um dos fatores que contribuíram fortemente para a redução no preço do produto foi o crescimento exponencial na produção de fotovoltaicos: de 60 U$/Wp em 1976, para cerca de 5 a 7 U$/Wp no início da atual década, (RIVER, 2001). A representação dessa ocorrência que pode ser observada na Figura 6, que mostra a evolução do preço de módulos fotovoltaicos em função das vendas acumuladas a partir do ano 1975, (MAYCOCK, 2002)..

(41) 22. Ainda, segundo Maycock, (2005), nos últimos anos, o custo de módulos (m-Si e p-Si) alcançou valores um pouco abaixo de 2,6 U$/Wp instalado, em decorrência do aquecimento da demanda. Informações atuais do mercado do International Energy Outlook/ Energy Information Administration-IEO-2005/ AER-2005I, (2005), registram custos de 2 a 3 U$/Wp para as células e de 3 a 5 U$/Wp para os módulos fotovoltaicos e custos de operação na faixa de 7-9 US$/Wp (CA).. Elaborado de Maycock (2002). Figura 6 - Evolução do preço de módulos fotovoltaicos em função das vendas acumuladas a partir do ano 1975. A evolução quase exponencial no decréscimo dos custos tornou a opção fotovoltaica viável economicamente para uma ampla gama de aplicações, entre elas, a de SFCR, que notadamente decolou a partir de uma política de incentivos principalmente no Japão, na Alemanha (10 lugar mundial em aplicações fotovoltaicas) e nos Estados Unidos da América.. Em 1998, existiam apenas 36 MW de SFCR e as estimativas apontavam para 3.000 MW para o ano de 2010, vinculadas a programas de incentivo à aplicação dessa tecnologia, (MAYCOCK, 2001, 2002, 2004, 2005). Projeção alcançada em 2007, (MINTS, 2008). Segundo, o Relatório Estado Global das Energias Renováveis de 2007, que reuni informações sobre mercado, investimentos e políticas das energias renováveis, publicado pela Renewable Energy Policy Network for the 21st Century, (REN21), a tecnologia com o.